鎘在蓮各器官中累積規律的研究

于輝, 彭佳師, 嚴明理

鎘在蓮各器官中累積規律的研究

于輝*, 彭佳師, 嚴明理

湖南科技大學生科院, 經濟作物遺傳改良與綜合利用湖南省重點實驗室, 重金屬污染土壤生態修復與安全利用湖南省高校重點實驗室, 湘潭 411201

蓮子是我國重要的特產優質資源, 但蓮等水生植物容易吸收積累重金屬。為了探究蓮對重金屬鎘的吸收積累特點, 利用盆栽外施不同濃度的鎘(0, 1.0 mg·kg-1, 2.5 mg·kg-1)培養兩個蓮子品種, 檢測分析鎘對蓮子生物量的影響及蓮各器官中鎘的含量。結果表明: 隨著外施鎘濃度的增加, 兩種蓮子生物量下降, 各器官中鎘含量增加, 且與土壤鎘含量呈正相關。各器官中鎘含量差異明顯, 根部鎘含量最高, 蓮殼中最低。根據GB 2762-2017, 當鎘濃度為1 mg·kg–1時, 蓮子中鎘含量符合食品中污染物限量標準, 故蓮可以在鎘低污染區域種植。

鎘; 蓮; 累積

0 前言

蓮(Gaertn.)為多年生水生植物, 因使用目的不同, 可將其分為花蓮、籽蓮和藕蓮。蓮子中含有豐富的磷脂、生物堿和類黃酮等營養保健成分, 是我國重要的特產優質資源, 也是重要的出口創匯特色農副產品之一。湖南的湘蓮因具有高蛋白、低脂肪、口感好等特色, 歷來作為進貢朝廷的珍品, 被稱為“中國第一蓮子”。蓮等水生植物具有發達的維管束組織, 容易從水生環境中吸收積累重金屬[1]。而隨著現代工業的發展、工業“三廢”的排放以及礦藏的大量開采, 土壤和水體重金屬污染問題日趨嚴重。在眾多污染元素中, 鎘由于在土壤中具有高度移動性, 容易被作物吸收, 并通過食物鏈威脅人類健康, 被視為重金屬中最具有危害性的元素之一[2]。許多學者對農作物吸收積累鎘的機制進行了探討, 如水稻(L.)[3]、小麥(L.)[4]等, 但鎘與蓮的關系卻鮮有報道。因此, 本研究以湖南種植面積較廣的兩個籽蓮品種為對象, 采用盆栽試驗添加鎘的形式, 分析鎘在蓮體內的分配, 為進一步研究蓮吸收鎘的機制以及蓮子的安全生產奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在湖南科技大學植物園內進行。供試土壤采自周邊農田, pH 6.2, 有機質含量18.8 g·kg–1, 全氮1.68 g·kg–1, 速效磷18.5 mg·kg–1, 速效鉀83.1 mg·kg–1, 重金屬鎘含量0.30 mg·kg–1。兩個籽蓮品種分別為寸三蓮和太空蓮, 由湖南粒粒珍有限公司提供。

1.2 實驗設計

在相同大小的水泥缸(長×寬×高=150×70×70 cm)內裝入曬干過篩的土壤150 kg, 加有機肥1.5 kg。鎘以Cd(NO3)2·4H2O水溶液的形態加入, 設置兩個鎘處理, 濃度分別為1和2.5 mg·kg–1, 以不添加鎘為對照。加水浸泡一個月, 其間經常攪拌, 使重金屬與土壤充分融合。2019年4月將種藕栽種于水泥缸中, 每缸兩株, 每個品種三次重復, 常規管理。8月蓮子成熟后開始采收, 將根、地下莖、荷葉、葉柄、蓮蓬、蓮殼和籽粒分開, HNO3-H2O2微波消解后ICP-MS測定各器官鎘含量。

1.3 數據分析

采用Excel 2003 和SPSS 13.0 軟件對數據進行處理。

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫對蓮子生物量的影響

不同鎘濃度下, 寸三蓮和太空蓮籽粒生物量見表1。總體來看, 隨著鎘濃度的增加, 兩種蓮子生物量呈下降趨勢。鎘濃度為1 mg·kg–1時, 太空蓮生物量高于對照11%, 而寸三蓮生物量下降了14%, 但差異均不顯著。鎘濃度為2.5 mg·kg–1時, 寸三蓮生物量比對照下降了24%, 差異顯著。太空蓮下降了11%, 無顯著差異。兩個品種相比, 相同鎘濃度下寸三蓮生物量下降的幅度大于太空蓮, 即前者生物量受鎘影響要大于后者。

表1 不同鎘濃度下兩個品種蓮子的生物量 (g·盆–1)

注: 同一行中不同字母表示在0.05 水平上差異顯著。以下同

2.2 鎘在蓮子各器官中的分布

如表2所示, 鎘在蓮子各器官中的含量差異很大。總體看來, 根部的鎘含量最高, 其次是籽粒、荷葉或地下莖, 蓮殼中濃度最低。對照組、1 mg·kg–1和2.5 mg·kg–1鎘處理時, 太空蓮和寸三蓮鎘含量最高和最低器官濃度差別分別是6.4倍、17.1倍、30.7倍和6倍、16.6倍、27.2倍。低濃度時荷葉中鎘含量大于莖, 而高濃度時則相反。各器官中鎘含量隨鎘處理濃度的增加隨之上升。如當鎘濃度為1 mg·kg–1時, 寸三蓮根部鎘含量是對照的4.5倍, 其它器官增加了1.2一2倍。鎘濃度為2.5 mg·kg–1時, 根部鎘濃度升高到了對照的10倍, 其它器官鎘濃度增加了2一3.4倍。太空蓮在不同鎘處理下各器官鎘含量變化與寸三蓮相似, 即根部鎘含量及增加倍數高于其它器官。在蓮的各器官中, 地下莖和籽粒屬于可食用部位。根據食品中污染物限量標準(GB 2762-2017), 地下莖和籽粒中鎘含量應低于0.1和0.5 mg·kg–1(鮮樣)。按照地下莖中平均含水量75%, 籽粒中平均含水量60%計算, 1 mg·kg–1鎘濃度處理下, 兩個蓮子品種地下莖中鎘含量已經超出了限量標準, 而籽粒中鎘含量則符合食品安全。當鎘處理濃度為2.5 mg·kg–1時, 太空蓮籽粒鎘含量超出安全標準, 寸三蓮接近臨界值。

2.3 土壤和蓮子各器官中鎘含量的的相關性

蓮子各器官和土壤中鎘含量的相關系數如表3所示。可以看出, 蓮子各器官鎘含量和土壤鎘含量均成顯著的正相關, 相關系數均大于0.7。同一鎘處理下, 蓮子各器官之間鎘含量也具有顯著的正相關性, 相關系數為0.64一0.947。

表2 不同鎘處理下蓮子各器官中鎘含量 (mg·kg–1干重)

3 討論

3.1 鎘對蓮子生物量的影響

鎘是植物非必需營養元素, 但有研究表明低濃度鎘對某些植物的生長有一定的促進作用, 如大白菜((Lour.) Rupr.)生物量在1.0 mg·kg–1鎘條件下顯著增加[5], 莧菜(L.)在各鎘處理水平總生物量以及地上部生物量均未顯著降低[6]。本研究中, 外源施加鎘濃度為1 mg·kg–1時, 與對照相比, 太空蓮生物量升高, 寸三蓮生物量下降, 但差異均不顯著, 表明低濃度的鎘不會對蓮子生長產生影響。當鎘濃度超過一定水平時則會對植物產生毒害, 最常見的癥狀是植物生長受到抑制。本實驗中, 外源鎘濃度為2.5 mg·kg–1時, 兩個品種的蓮子生物量都下降, 即該濃度對蓮子生長產生了抑制作用。但兩個品種生物量對重金屬的反應不同, 這與前人的研究結果一致, 即同種作物的不同品種對重金屬的反應存在差異[2]。

3.2 蓮子各器官對鎘的積累規律

土壤中的鎘進入植株體內首先要通過根系的吸收。一般情況下, 大多數植物吸收的鎘主要積累在根系, 而地上部各組織中的含量一般較低[4]。鎘在根系中主要分布在質外體或形成磷酸鹽、碳酸鹽沉淀, 或與細胞壁結合, 以減少其向地上部分的轉移, 這是大部分植物對鎘的應激反應。本研究中, 三種鎘處理下, 蓮子根部鎘含量顯著高于其它器官, 說明了蓮子根部對鎘具有固定作用。根系吸收的鎘通過木質部運輸到莖、葉等器官進行再分配。本研究表明, 低濃度時鎘在營養器官的分布為荷葉>葉柄>地下莖, 而高濃度時則為地下莖>荷葉>葉柄。許曉光等[7]報道, 低濃度下鎘在藕蓮中的分布是地下匍匐莖>荷葉>荷梗>藕, 隨外源鎘的增加, 藕中鎘含量升高, 超過荷葉, 與我們的結果相似。在此需要說明的是, 因為我們種植的是以產蓮子為主的籽蓮, 故地下莖統一作為可食用部位, 而沒有把匍匐莖和膨大莖分開處理。

莖葉中的鎘可以通過韌皮部轉移到籽粒中, 進入籽粒中的鎘則被固定, 不再向其他部位運輸。一般來講, 鎘在植物體籽實中的積累量很小, 但是本研究中, 籽粒中的鎘含量大于地上部其它器官。鎘經由韌皮部轉移到籽粒中一般認為有以下兩種途徑[8]: (1)鎘首先積累在營養器官, 籽實形成期通過再分配經韌皮部轉移進入籽粒。(2)根持續吸收鎘, 在莖節通過木質部-韌皮部的轉運直接進入籽粒。而對于此部分的研究多集中在禾谷類作物[9], 蓮籽粒中鎘的積累特點還未曾見報道。籽粒中鎘的積累是植物體內鎘重新分配的結果, 因此對于本研究中蓮子中的鎘積累途徑還有待于進一步的研究。

表3 土壤及蓮子各器官之間鎘含量的相關性

注:**表示相關性極顯著

3.3 土壤鎘污染與蓮的食用安全

蓮的可食部位有蓮子和地下莖(蓮藕)部分。本研究中, 當外施鎘濃度為1 mg·kg–1時, 地下莖中鎘含量超出國家安全食用農產品標準(0.1 mg·kg–1FW)。黎先超[10]、許曉光等[11]也報道, 低濃度的鎘污染下(< 0.9 mg·kg–1), 蓮藕中鎘含量超出國家安全食用農產品標準。而根據農用地土壤污染風險管控標準(GB 15618-2018), 鎘的風險篩選值為0.4 mg·kg–1, 管制值為2.0 mg·kg–1。由此表明, 土壤鎘介于篩選值和風險管制值之間時, 蓮的地下莖已受到了鎘污染。而鑒于土壤鎘含量與蓮子各器官鎘含量之間存在正相關(表3), 為了保證蓮藕的安全生產, 需控制重金屬污染源在一定的濃度范圍內, 這也與多數研究結果類似[7, 10]。但Xiong[12]等分析了8個蓮藕主產區土壤與蓮藕重金屬積累的關系, 發現兩者并無相關性, 與我們的研究結果不一致, 原因還有待于進一步研究。而在此濃度下, 兩個品種籽粒中的鎘濃度均符合國家安全食用農產品標準。故對于主要以產蓮子為目的的籽蓮來講, 可以種植在低濃度鎘污染土壤。當外施鎘濃度為2.5 mg·kg–1時, 已高于風險管制值, 從實驗結果看也已不適宜蓮子的種植。

因為關于蓮對重金屬吸收富集的報道較少, 且都沒有深入的研究, 所以許多問題還需要進一步的探討, 如鎘脅迫下蓮子生理生化指標的變化, 鎘在蓮子體內的遷移分配機制, 鎘向蓮子可食部位轉運的影響因素等。

4 結論

隨著外施鎘濃度的增加, 蓮子生物量下降, 各器官中鎘含量上升。總體來看, 根部的鎘含量最高, 其次是籽粒、荷葉/地下莖, 蓮殼中濃度最低。各器官鎘含量與土壤鎘含量呈正相關。根據GB 2762-2017, 當外施鎘濃度為1 mg·kg–1時, 蓮的可食部位地下莖鎘含量超出食品中污染物限量標準, 籽粒符合標準要求。當外施鎘濃度2.5 mg·kg–1時, 從食品安全角度來講已不適宜蓮子的種植。

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Research on the accumulation of cadmium in lotus (Gaertn.) organs

YU Hui*, PENG Jiashi, YAN Mingli

College of Life Science, Key Laboratory of Economic Crops Genetic Improvement and Integrated Utilization, Key Laboratory of Ecological Remediation and Safe Utilization of Heavy Metal-Polluted Soils, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China

Lotus (Gaertn.) seed is an important high-quality local product resource in China, but lotus is easy to absorb and accumulate heavy metals. In order to explore the absorption and accumulation of cadmium (Cd) in lotus, two cultivars of lotus were cultivated with different concentrations of Cd (0, 1.0 mg·kg–1, 2.5 mg·kg–1) in the pot. The effects of Cd on the lotus seed biomass and Cd contents in each organ of lotus were detected and analyzed. The results showed that,with the increase of Cd concentration, the biomass of the two lotus seeds decreased and Cd content in each organ increased, which was positively correlated with Cd content in soil. Cd content in each organ was different obviously. Cd content in root was the highest and that in lotus shell was the lowest.According to GB 2762-2017, when Cd concentration is 1 mg·kg–1, Cd content in lotus seed conforms to the pollutant limit standard in food, so lotus can be planted in the area with low Cd pollution.

cadmium;Gaertn.; accumulation

于輝, 彭佳師, 嚴明理. 鎘在蓮各器官中累積規律的研究[J]. 生態科學, 2021, 40(1): 82–85.

YU Hui, PENG Jiashi, YAN Mingli. Research on the accumulation of cadmium in lotus (Gaertn.) organs[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 82–85.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.01.011

S181

A

1008-8873(2021)01-082-04

2020-03-10;

2020-04-10

湖南省自科基金省市聯合基金(2019JJ60045); 湖南省教育廳項目(18K063); 湖南省重點實驗室開放基金(E22007)

于輝(1978—), 女, 博士, 講師, 從事重金屬污染土壤修復與利用的研究, E-mail: lgyh@163.com